某型发射装置舰上安装基座刚度分析∗

（92941部队41分队 葫芦岛 125001）

1 引言

发射装置基座作为武器系统的载体，是连接设备和舰船本体的主要结构体，是一个极为关键的受力部件，它既要承受装置设备的动静载荷，又要传递舰船所受载荷，受力情况十分复杂[1]，特别是在武器发射过程中，尾焰会给基座结构造成强大的冲击[2]。因此，舰上设备安装基座除要求具有较好的强度外，还要求具有较好的刚度，使安装基座在相同的外力条件作用下，各向变形量最小。这对于回转精度要求较高的发射装置而言尤为重要。本文通过分析影响发射装置舰上安装基座刚度的各种因素，考虑到基座不同的变形方式，对基座提出了角刚度和线刚度两种要求，并对基座刚度的计算方法进行探讨。

2 影响基座刚度计算的因素

影响发射装置舰上安装基座刚度的主要因素有：由舰船摇摆运动引起的惯性摇摆载荷、风载荷、发射装置产生的调转力矩和摩擦力矩、导弹发射时对发射架的冲击影响等[3]。由于某型发射装置在调转状态下比导弹发射状态下对基座产生的力矩更大，考虑到最恶劣情况，因此将发射装置满载调转工作状态作为计算状态。

2.1 坐标系建立

计算坐标系如图1所示。

图1 计算坐标系

图1中，原点o为通过某发射架几何中心所作的两个铅垂面与发射架舰上安装基座上表面的交点；ox平行于甲板，指向舰艏；oz垂直于甲板，指向上方；oy平行于甲板，且ox、oy、oz成右手直角坐标系。

2.2 惯性摇摆载荷

2.2.1 惯性摇摆系数计算

载荷系数是舰船结构或设备由于重力加速度和舰船运动加速度使其在纵向、横向和垂向上受到的载荷与重力的比值[4]。舰船惯性摇摆系数可用下式计算：

2.2.2 惯性摇摆载荷计算

惯性摇摆载荷是由舰艇摇摆运动引起的载荷，与舰艇摇摆运动产生的加速度密切相关，无论是何种发射装置，只要舰艇在风浪中存在着摇摆运动，发射装置的任何部分都会受到摇摆惯性载荷的作用，经受长时间海上复杂气象环境条件的影响[5]。

则发射架产生的惯性摇摆载荷为

式中，Px为计算坐标系中x方向发射架产生的惯性摇摆载荷（N）；Py为计算坐标系中y方向发射架产生的惯性摇摆载荷（N）；Pz为计算坐标系中z方向发射架产生的惯性摇摆载荷（N）；m发射架为发射架满载质量（Kg）。

2.3 风载荷

发射装置在舰上工作环境为露天工作，应考虑风载荷对发射装置的影响。风载荷的大小与发射装置的计算部位、迎风面积和使用环境的风速大小等因素有关[6]。舰上露天工作环境中发射装置所受到的风载荷为

2.4 发射装置调转力矩

将发射装置满载调转工作状态作为计算状态，高低角为0°。则发射装置产生的最大调转力矩为

2.5 摩擦阻力矩

2.5.1 高低摩擦阻力矩计算

2.5.2 方向摩擦阻力矩计算

3 基座角刚度分析计算

由于发射装置自重及外载荷作用下会产生高低倾覆力矩和方向扭转力矩，使舰上安装基座发生角变形。若舰上安装基座角刚度不足，则会产生较大的变形角度，对发射装置的俯仰、方位的系统精度造成影响[7～8]。因此，对舰上发射装置安装基座的角刚度指标提出要求是十分必要的。

3.1 基座高低角刚度分析计算

舰上发射装置安装基座的高低角刚度由高低倾覆力矩引起。计算高低倾覆力矩时，应考虑惯性摇摆力矩、发射装置高低调转力矩、高低摩擦阻力矩、风载力矩等因素对基座的影响。由于发射架重心较低，迎风面积为对称结构，近似认为风载荷作用在发射架质心上，以便于计算。现将xz和yz两个平面上所有力矩进行空间合成。可得出高低倾覆力矩M倾覆为

式中，xG为发射架质心在计算坐标系中x方向数值（m）；zG为发射架质心在计算坐标系中z方向数值（m）。

由基座倾覆变形引起的最大允许高低角变形量为∆高低变形角，数值由系统指向精度决定。

则高低角刚度K高低角刚度为

3.2 基座方向角刚度分析计算

舰上发射装置安装基座的方向角刚度由方向扭转力矩引起。计算方向扭转力矩时，应考虑惯性摇摆力矩、发射装置方向调转力矩、方向摩擦阻力矩、风载力矩等因素对基座的影响。由于发射架重心较低，迎风面积为对称结构，近似认为风载荷作用在发射架质心上，以便于计算。可得出方向扭转力矩M扭转为

式中，yG为发射架质心在计算坐标系中y方向数值（m）。

由基座扭转变形引起的最大允许方向角变形量为∆方向变形角，数值由系统指向精度决定。

则方向角刚度K方向角刚度为

4 基座线刚度分析计算

发射装置在外载荷作用下会产生水平和垂直方向上的线性变形，因此，对舰上安装基座还必须进行线刚度计算。

4.1 水平线刚度分析计算

计算舰上发射装置安装基座的水平方向线刚度时，应考虑惯性摇摆载荷、风载荷等因素对基座的影响。则基座水平方向受到的合力F水平为

由基座受水平力引起的最大允许水平方向线性变形量为∆水平变形量，数值由系统指向精度决定。

则水平线刚度K水平线刚度为

4.2 垂直线刚度分析计算

计算舰上发射装置安装基座的垂直方向线刚度时，应考虑惯性摇摆载荷因素对基座的影响。则基座垂直方向受到的合力F垂直为

由基座受垂直力引起的最大允许垂直方向线性变形量为∆垂直变形量，数值由系统指向精度决定。

则垂直线刚度K垂直线刚度为

5 某型发射装置舰上安装基座刚度计算例

某型发射装置舰上安装基座刚度计算条件如下。

1）以九级海况下为典型计算环境，按照幅值最小，周期最短的极端情况选取，结合发射装置在舰上的安装位置可得，惯性摇摆系数为X=0.3，Y=0.8 ，Z=1.0 ± 0.3 ；

2）某型发射装置设计参数如下：m发射架=8000kg，m高低=4000kg，A纵x=5m2，A横y=7m2，Jy=4500Kg·m2，Jz=8000Kg·m2，ϕ̈dm=60°/s2，q̈dm=120°/s2，T=5000N，μ高低=μ方向=0.01，D高低=0.5m，D方向=1.8m，xG=yG=0.1m，zG=1.8m；

3）系统总体指向精度允许的变形量如下：

按本文介绍的统计方法进行计算，对某型发射装置舰上安装基座的角刚度和线刚度提出的指标要求如下：

6 结语

本文在对某型发射装置舰上安装基座刚度的分析过程中，考虑到了最恶劣的情况，通过各种影响因素的统计分析[9]，将重力和惯性力等引起的变形量控制在一定范围[10]，计算结果在实际应用中是较为安全可靠的，后续可采用轻质高强材料和合理的简化结构等措施进行拓扑优化以寻求更优化设计[11]。通过本文的相关论述，使舰上发射装置安装基座的刚度分析计算有一个比较具体的理论依据，对同类型产品的结构设计具有一定的借鉴意义和参考价值[12]。